CN113644892A - 带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及滤波技术领域，提供了一种带通滤波器。该带通滤波器包括输入端、输出端、接地端、多个串臂谐振器和多个并臂谐振器；多个串臂谐振器包括依次串联连接在输入端和输出端之间的第一谐振器至第七谐振器；多个并臂谐振器包括第八谐振器、第九谐振器、第十谐振器和第十一谐振器，第八谐振器的一端连接在第一谐振器和第二谐振器之间，第九谐振器的一端连接在第三谐振器和第四谐振器之间，第十谐振器的一端连接在第五谐振器和第六谐振器之间，第十一谐振器的一端连接在第七谐振器和输出端之间，第八谐振器、第九谐振器、第十谐振器和第十一谐振器的另一端均连接接地端。上述带通滤波器提供FBAR带通滤波器的一种新型结构。

Description

带通滤波器
技术领域
本发明属于滤波器技术领域，具体涉及一种带通滤波器。
背景技术
近年来，随着5G无线通信技术的不断发展，通过利用更高频段以及频段重组来实现移动通信，这对相关射频元器件的微型化、高频带宽化、集成化及柔性化提出了越来越高的要求。
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)的带通滤波器凭借其尺寸小、谐振频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，正逐步取代传统的声表面波滤波器和陶瓷滤波器，在射频滤波器领域占有越来越大的市场份额，在5G无线通信射频领域发挥着巨大作用。
然而现有对FBAR带通滤波器的研究大多集中在制备方法上，对FBAR带通滤波器的具体结构的研究较少。
发明内容
本发明实施例提供一种带通滤波器，旨在提供一种FBAR带通滤波器的新型结构，能够允许特定频率的信号通过。
第一方面，本发明实施例提供一种中心频率为1300MHz的带通滤波器，包括：输入端、输出端、接地端、多个串臂谐振器和多个并臂谐振器；
所述多个串臂谐振器包括依次串联连接在所述输入端和所述输出端之间的第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器、第六谐振器和第七谐振器；
所述多个并臂谐振器包括第八谐振器、第九谐振器、第十谐振器和第十一谐振器，所述第八谐振器的一端连接在所述第一谐振器和所述第二谐振器之间，所述第九谐振器的一端连接在所述第三谐振器和所述第四谐振器之间，所述第十谐振器的一端连接在所述第五谐振器和所述第六谐振器之间，所述第十一谐振器的一端连接在所述第七谐振器和所述输出端之间，所述第八谐振器、所述第九谐振器、所述第十谐振器和所述第十一谐振器的另一端均连接所述接地端。
本发明实施例中的带通滤波器包括设置在输入端和输出端之间串臂谐振器和并臂谐振器，串臂谐振器和并臂谐振器均包括多个谐振器，串臂谐振器中除第一谐振器外，均间隔两个谐振器与并臂谐振器中的一个谐振器的一端连接，并臂谐振器中的各个谐振器的另一端均连接接地端。信号通过输入端流入上述串臂谐振器和并臂谐振器，实现对信号特定频段的滤波。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述多个串臂谐振器中的各个谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同，所述多个并臂谐振器中的各个谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述多个串臂谐振器的串联谐振频率和所述多个并臂谐振器的并联谐振频率相同。其中，上述多个串臂谐振器的串联谐振频率和多个并臂谐振器的并联谐振频率相同，构成带通滤波器的中心频率。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述第一谐振器和所述第十谐振器的面积均为63000±50μm2，所述第二谐振器的面积为66000±50μm2，所述第三谐振器的面积为64000±50μm2，所述第四谐振器、所述第五谐振器和所述第六谐振器的面积均为68000±50μm2，所述第七谐振器的面积为65000±50μm2，所述第八谐振器的面积为56000±50μm2，所述第九谐振器的面积为58500±50μm2，所述第十一谐振器的面积为33000±50μm2，谐振器的面积为谐振器的平行板电容器上下电极的重合面积。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述带通滤波器的版图依次包括牺牲层、下电极层、上电极层、差频层和孔层，所述差频层与所述多个并臂谐振器对应，所述多个串臂谐振器不具有所述差频层，所述孔层中开设有多个释放孔，每个谐振器均设有多个释放通道，每个释放通道对应至少一个释放孔。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述带通滤波器还包括压电层。
其中，压电层可以覆盖整个带通滤波器芯片。
一些实施例中，所述上电极的厚度为
Figure BDA0003141241800000031
所述下电极层的厚度为
Figure BDA0003141241800000032
压电层的厚度为
Figure BDA0003141241800000033
所述差频层的厚度为
Figure BDA0003141241800000034
示例性的，所述释放孔的直径可以为15μm-25μm。
其中，每个谐振器可以具有多个释放通道(例如五个)，每个释放通道与一个释放孔对应，释放气体通过释放孔进入释放通道，然后进入牺牲层把牺牲层材料腐蚀变成气体，再通过释放通道与释放孔排出。另外，若带通滤波器的空间紧张时，两个释放通道可以共用一个释放孔。另外，在探针测试区域，需要采用探针(例如GSG探针)对芯片进行测试，因此需要把压电层刻蚀掉，露出下电极用于测试。
一些实施例中，所述第一谐振器至所述第七谐振器依次按照“之”字型排布于所述输入端和所述输出端之间，所述第八谐振器和所述第九谐振器位于所述第一谐振器至所述第七谐振器的一侧，所述第十谐振器和所述第十一谐振器位于所述第一谐振器至所述第七谐振器的另一侧。
示例性的，所述“之”字型排布包括：所述第一谐振器、所述第三谐振器、所述第五谐振器和所述第七谐振器的中心位于第一直线上，所述第二谐振器、所述第四谐振器和所述第六谐振器的中心位于第二直线上，所述第一直线和所述第二直线平行，且所述第一谐振器至所述第七谐振器中相邻的任意三个谐振器的中心连线均构成V字型。
附图说明
图1为本发明实施例提供的带通滤波器的电路示意图；
图2为本发明实施例提供的带通滤波器的版图的结构示意图；
图3为图2所示的带通滤波器的牺牲层的版图示意图；
图4为图2所示的带通滤波器的下电极层的版图示意图；
图5为图2所示的带通滤波器的上电极层的版图示意图；
图6为图2所示的带通滤波器的差频层的版图示意图；
图7为图2所示的带通滤波器的孔层的版图示意图；
图8为本发明实施例提供的带通滤波器的幅频特性曲线。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
FBAR带通滤波器作为压电器件的重要成员正在通信领域发挥着重要作用，FBAR带通滤波器具有尺寸小、谐振频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，正在逐步取代传统的声表面波滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用。然而现有对FBAR带通滤波器的研究大多集中在制备方法上，对FBAR带通滤波器的具体结构的研究较少。而且某工程应用需使用中心频率为1300MHz的带通滤波器，其1dB带宽大于30MHz，需对1240MHz以及1360MHz处抑制大于35dBc。
基于上述问题，本发明实施例提供了一种带通滤波器。该带通滤波器可以包括输入端、输出端、接地端、多个串臂谐振器和多个并臂谐振器。上述多个串臂谐振器包括依次串联连接在输入端和输出端之间的第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器、第六谐振器和第七谐振器。上述多个并臂谐振器包括第八谐振器、第九谐振器、第十谐振器和第十一谐振器，第八谐振器的一端连接在第一谐振器和第二谐振器之间，第九谐振器的一端连接在第三谐振器和第四谐振器之间，第十谐振器的一端连接在第五谐振器和第六谐振器之间，第十一谐振器的一端连接在第七谐振器和输出端之间，第八谐振器、第九谐振器、第十谐振器和第十一谐振器的另一端均连接接地端。
上述带通滤波器，包括设置在输入端和输出端之间串臂谐振器和并臂谐振器，串臂谐振器和并臂谐振器均包括多个谐振器，串臂谐振器中除第一谐振器外，均间隔两个谐振器与并臂谐振器中的一个谐振器的一端连接，并臂谐振器中的各个谐振器的另一端均连接接地端。信号通过输入端流入上述串臂谐振器和并臂谐振器，实现对信号特定频段的滤波。
图1示出了本发明实施例提供的带通滤波器的电路示意图。参见图1，该带通滤波器可以包括输入端Port_1、输出端Port_2、接地端GND、多个串臂谐振器和多个并臂谐振器。该多个串臂谐振器可以包括第一谐振器X1、第二谐振器X2、第三谐振器X3、第四谐振器X4、第五谐振器X5、第六谐振器X6和第七谐振器X7。该多个并臂谐振器可以包括第八谐振器X8、第九谐振器X9、第十谐振器X10和第十一谐振器X11。
具体的，第一谐振器X1、第二谐振器X2、第三谐振器X3、第四谐振器X4、第五谐振器X5、第六谐振器X6和第七谐振器X7依次串联设置在输入端Port_1和输出端Port_2之间。其中，第一谐振器X1至第七谐振器X7，这七个谐振器具有相同的第一串联谐振频率和第一并联谐振频率。
第八谐振器X8的一端连接在第一谐振器X1和第二谐振器X2之间，第九谐振器X9的一端连接在第三谐振器X3和第四谐振器X4之间，第十谐振器X10的一端连接在第五谐振器X5和第六谐振器X6之间，第十一谐振器X11的一端连接在第七谐振器X7与输出端Port_2之间，第八谐振器X8、第九谐振器X9、第十谐振器X10和第十一谐振器X11的另一端均连接接地端GND。其中，第八谐振器X8至第十一谐振器X11，这四个谐振器具有相同的第二串联谐振频率和第二并联谐振频率。
示例性的，本发明实施例中，第一串联谐振频率与第二并联谐振频率相同，形成带通滤波器的中心频率。
另外，串臂谐振器的第二位置、第三位置和第四位置均采用两个谐振器串联(第二谐振器X2和第三谐振器X3串联，第四谐振器X4和第五谐振器X5串联，第六谐振器X6和第七谐振器X7串联)的结构，能够增大谐振器的面积，使其在工艺易于实现的范围内，进而提高带通滤波器的可靠性。
一些实施例中，考虑到工艺实现的难易程度，谐振器的面积应控制在4000μm2-80000μm2之间。在同一个电路中，每个谐振器的面积在设计时，应尽量使电路中的每个谐振器的面积相差较小，一般相差在4倍以下。
一些实施例中，为了使得带通滤波器的中心频率为某一频率，可以通过调整第一谐振器X1～第十一谐振器X11的面积和位置实现。其中，谐振器的面积为谐振器的平行板电容器上下电极的重合面积。
示例性的，为了使得带通滤波器的中心频率为1300MHz，第一谐振器和第十谐振器的面积均可以为63000±50μm2，第二谐振器的面积可以为66000±50μm2，第三谐振器的面积可以为64000±50μm2，第四谐振器、第五谐振器和第六谐振器的面积均可以为68000±50μm2，第七谐振器的面积可以为65000±50μm2，第八谐振器的面积可以为56000±50μm2，第九谐振器的面积可以为58500±50μm2，第十一谐振器的面积可以为33000±50μm2。
一些实施例中，上述带通滤波器的版图主要依次包括牺牲层、下电极层、上电极层、差频层和孔层。其中，差频层与多个并臂谐振器对应，而多个串臂谐振器并不具有差频层。差频层用于实现并联的谐振器和串联的谐振器的频率差，从而形成带通滤波器，实现对相特定频率的滤波。通常，并臂谐振器的第二串联谐振频率和第二并联谐振频率低于串臂谐振器的第一串联谐振频率和第一并联谐振频率，且第一串联谐振频率等于第二并联谐振频率。
一些实施例中，带通滤波器还可以包括压电层。其中压电层可以覆盖整个滤波器芯片。
为了形成谐振器的空气腔，实现声波的反射，特设置孔层，孔层中开设有多个释放孔，每个谐振器具有多个释放通道，每个谐振器的每个释放通道对应至少一个释放孔。
示例性的，每个谐振器可以具有多个释放通道(例如五个)，每个释放通道与一个释放孔对应，释放气体通过释放孔进入释放通道，然后进入牺牲层区域把牺牲层材料腐蚀变成气体，再通过释放通道与释放孔排出。另外，若带通滤波器的空间紧张时，两个释放通道可以共用一个释放孔。另外，在探针测试区域，需要采用探针(例如GSG探针)对芯片进行测试，因此需要把压电层刻蚀掉，露出下电极用于测试。
一些实施例中，为了得到特定中心频率的带通滤波器，也可以通过调整上电极、下电极和压电层的厚度来实现。示例性的，为了得到中心频率为1300MHz的带通滤波器，上电极的厚度可以为
Figure BDA0003141241800000071
下电极层的厚度可以为
Figure BDA0003141241800000072
压电层的厚度可以为
Figure BDA0003141241800000073
差频层的厚度可以为
Figure BDA0003141241800000074
Figure BDA0003141241800000075
一些实施例中，释放孔的直径可以为15μm-25μm。
参见图2和图3，在带通滤波器的版图中，第一谐振器X1至第七谐振器X7可以依次按照S1所示的“之”字型排布于输入端IN和输出端OUT之间，第八谐振器X8和第九谐振器X9位于第一谐振器X1至第七谐振器X7的一侧，第十谐振器X10和第十一谐振器X11位于第一谐振器至第七谐振器X7的另一侧。
示例性的，参见图2，第一谐振器X1至第七谐振器X7依次按照S1所示的“之”字型排布于输入端IN和输出端OUT之间。第八谐振器X8和第九谐振器X9位于第一谐振器X1至第七谐振器X7的上侧，其中第八谐振器X8位于第一谐振器X1的上侧，第九谐振器X9位于第三谐振器X3的上侧。第十谐振器X10和第十一谐振器X11位于第一谐振器至第七谐振器X7的下侧，其中，第十谐振器X10位于第六谐振器X6的下侧，第十一谐振器X11位于第七谐振器X7的下侧。
参见图2，上述“之”字型排布可以为：第一谐振器X1、第三谐振器X3、第五谐振器X5和第七谐振器X7的中心位于第一直线d1上，第二谐振器X2、第四谐振器X4和第六谐振器X6的中心位于第二直线d2上，其中，第一直线d1与第二直线d2平行或基本平行，且第一谐振器X1至第七谐振器X7中相邻的任意三个谐振器的中心连线均构成V字型。
其中，如图3所示，在牺牲层的版图中，每个谐振器具有五条边，各个谐振器之间通过各自的一条边相互连接。
图3中，每个谐振器伸出的触角状的部分即为释放通道，每个谐振器可以具有多个释放通道。释放气体通过释放孔进入释放通道，然后进入牺牲层区域把牺牲层材料腐蚀变成气体，再通过释放通道与释放孔排出。
参见图4，下电极层的版图具有多个版图区，包括第一下电极版图区101、第二下电极版图区102、第三下电极版图区103、第四下电极版图区104、第五下电极版图区105和第六下电极版图区106。
其中，第一下电极版图区101与输入端IN连接，第五下电极版图区105和第六下电极版图区106与接地端GND连接，第一下电极版图区101与第一谐振器X1对应，第二下电极版图区102与第二谐振器X2、第三谐振器X3对应，第三下电极版图区103与第四谐振器X4和第五谐振器X5对应，第四下电极版图区104与第六谐振器X6和第七谐振器X7对应，第五下电极版图区105与第八谐振器X8和第九谐振器X9对应，第六下电极版图区106与第十谐振器X10和第十一谐振器X11对应。
参见图5，上电极层的版图具有多个版图区，包括第一上电极版图区201、第二上电极版图区202、第三上电极版图区203和第四上电极版图区204。
其中，第一上电极版图区201与第一谐振器X1、第二谐振器X2和第八谐振器X8对应，第二上电极版图区202与第三谐振器X3、第四谐振器X4和第九谐振器X9对应，第三上电极版图区203与第五谐振器X5、第六谐振器X6和第十谐振器X10对应，第四上电极版图区204与第七谐振器X7和第十一谐振器X11对应。
参见图6，差频层的版图包括与第八谐振器X8对应的第一差频层版图区301，与第九谐振器X9对应的第二差频层版图区302，与第十谐振器X10对应的第三差频层版图区303，与第十一谐振器X11对应的第四差频层版图区304。通过设置差频层，可以使得串臂谐振器和并臂谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率具有一定的频率差，从而实现对信号特定频段的滤波。
参见图7，孔层包括多个释放孔41，包围在每个谐振器的周围。每个释放孔41对应一个释放通道。释放气体通过释放孔41进入释放通道，然后进入牺牲层区域把牺牲层材料腐蚀变成气体，再通过释放通道与释放孔41排出。另外，在孔层版图上的探针测试区域，如需要采用探针(例如GSG探针)对芯片进行测试，需要把压电层刻蚀掉，露出下电极GSG用于测试。
本实施例中，对上述带通滤波器进行了测试，得到如图8所示的幅频特性曲线。曲线1为带通滤波器的S(2,1)随频率的变化曲线(左纵轴)。曲线2为S(1,1)，曲线3为S(2,2)，表示带通滤波器的回波损耗(右纵轴)。从图8中可以看出，带通滤波器的1dB带宽约为44MHz，在1240MHz以及1360MHz处抑制度分别为44dBc和46dBc。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带通滤波器，其特征在于，包括：输入端、输出端、接地端、多个串臂谐振器和多个并臂谐振器；
所述多个串臂谐振器包括依次串联连接在所述输入端和所述输出端之间的第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器、第六谐振器和第七谐振器；
所述多个并臂谐振器包括第八谐振器、第九谐振器、第十谐振器和第十一谐振器，所述第八谐振器的一端连接在所述第一谐振器和所述第二谐振器之间，所述第九谐振器的一端连接在所述第三谐振器和所述第四谐振器之间，所述第十谐振器的一端连接在所述第五谐振器和所述第六谐振器之间，所述第十一谐振器的一端连接在所述第七谐振器和所述输出端之间，所述第八谐振器、所述第九谐振器、所述第十谐振器和所述第十一谐振器的另一端均连接所述接地端；
所述第一谐振器至所述第十一谐振器中每个谐振器的面积均为4000μm2-80000μm2之间的任一值。
2.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述多个串臂谐振器中的各个谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同，所述多个并臂谐振器中的各个谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率相同。
3.如权利要求1或2所述的带通滤波器，其特征在于，所述多个串臂谐振器的串联谐振频率和所述多个并臂谐振器的并联谐振频率相同。
4.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述第一谐振器和所述第十谐振器的面积均为63000±50μm2，所述第二谐振器的面积为66000±50μm2，所述第三谐振器的面积为64000±50μm2，所述第四谐振器、所述第五谐振器和所述第六谐振器的面积均为68000±50μm2，所述第七谐振器的面积为65000±50μm2，所述第八谐振器的面积为56000±50μm2，所述第九谐振器的面积为58500±50μm2，所述第十一谐振器的面积为33000±50μm2，谐振器的面积为谐振器的平行板电容器上下电极的重合面积。
5.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述带通滤波器的版图依次包括牺牲层、下电极层、上电极层、差频层和孔层，所述差频层与所述多个并臂谐振器对应，所述多个串臂谐振器不具有所述差频层，所述孔层中开设有多个释放孔，每个谐振器均设有多个释放通道，每个释放通道对应至少一个释放孔。
6.如权利要求5所述的带通滤波器，其特征在于，所述带通滤波器还包括压电层。
7.如权利要求6所述的带通滤波器，其特征在于，所述上电极的厚度为
Figure FDA0003141241790000021
所述下电极层的厚度为
Figure FDA0003141241790000022
压电层的厚度为
Figure FDA0003141241790000023
Figure FDA0003141241790000024
所述差频层的厚度为
Figure FDA0003141241790000025
8.如权利要求5-7任一项所述的带通滤波器，其特征在于，所述释放孔的直径为15μm-25μm。
9.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述第一谐振器至所述第七谐振器依次按照“之”字型排布于所述输入端和所述输出端之间，所述第八谐振器和所述第九谐振器位于所述第一谐振器至所述第七谐振器的一侧，所述第十谐振器和所述第十一谐振器位于所述第一谐振器至所述第七谐振器的另一侧。
10.如权利要求9所述的带通滤波器，其特征在于，所述“之”字型排布包括：所述第一谐振器、所述第三谐振器、所述第五谐振器和所述第七谐振器的中心位于第一直线上，所述第二谐振器、所述第四谐振器和所述第六谐振器的中心位于第二直线上，所述第一直线和所述第二直线平行，且所述第一谐振器至所述第七谐振器中相邻的任意三个谐振器的中心连线均构成V字型。
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